李宏亮
(廣東省建筑工程機(jī)械施工有限公司 廣州 510500)
國(guó)內(nèi)目前重質(zhì)混凝土多用于加速器、核電核島、醫(yī)院放射治療室等有特殊屏蔽要求的結(jié)構(gòu),主要用于屏蔽α射線、β射線、X射線、γ射線等。通常重質(zhì)混凝土只作密度要求,此類重質(zhì)混凝土組成材料相對(duì)較少,其施工難度也相對(duì)較小。本重質(zhì)混凝土由于專門針對(duì)防中子輻射研制,在配合比中引入“中子吸收劑”高水鐵礦砂、防中子加強(qiáng)劑硼玻璃粉、混凝土容重調(diào)節(jié)材料高密度鋼砂等,配合比組成材料達(dá)10 種之多,且各種骨料密度相差懸殊,施工時(shí)如何保證重質(zhì)混凝土的工作性能和防止重質(zhì)混凝土振搗時(shí)密度大的骨料下沉尤為關(guān)鍵。此外,研究的靶站靶心和熱室及延遲罐防中子輻射混凝土結(jié)構(gòu)復(fù)雜,各種大型預(yù)埋件多、預(yù)埋管線密布,也給防中子輻射重質(zhì)混凝土施工帶來(lái)很大難度[1-2]。
中國(guó)散裂中子源靶站設(shè)備樓總建筑面積12 612.46 m2,建筑高度25.2 m;建筑層數(shù)5 層,其中地上3 層,地下2 層。建筑工程等級(jí)為一級(jí),設(shè)計(jì)使用年限50 年,框架結(jié)構(gòu),抗震設(shè)防烈度為7 度。靶站靶心及熱室由于考慮防輻射技術(shù)要求,靶站密封筒體、熱室側(cè)墻、延遲罐的側(cè)墻和底板均采用C30 現(xiàn)澆防中子輻射重混凝土,蓋板采用預(yù)制C30防中子輻射重混凝土。
靶心輻射屏蔽設(shè)計(jì):φ9.6 m 鋼筒+1.2 m 厚重質(zhì)混凝土,熱室及延遲罐輻射屏蔽設(shè)計(jì):1.2 m 厚重質(zhì)混凝土。靶心和熱室及延遲罐平面示意圖如圖1 所示,靶站靶心示意圖如圖2?所示,靶站熱室示意圖如圖2?所示,靶心和熱室施工如圖3所示。
圖1 靶心和熱室及延遲罐平面示意圖Fig.1 Plan Sketch of the Target Stand Center,Heat Chamber and Delay Tank
圖2 靶站靶心及靶站熱室示意圖Fig.2 Schematic of the Target Stand Center and the Heat Chamber in the Target Stand Center
圖3 靶心和熱室施工Fig.3 Construction of Target Stand Center and Heat Chambe
⑴重質(zhì)混凝土密度需達(dá)3 600 kg/m3以上;
⑵重質(zhì)混凝土中防中子輻射效果較好的保留結(jié)晶水需達(dá)110 kg/m3以上;
⑶滿足防輻射、抗?jié)B漏、低收縮、高密度、高均勻性等特殊要求。
中子源工程防輻射要求非常嚴(yán)格,而靶站靶心和熱室及延遲罐是整個(gè)工程輻射最大的部位,因而也是防輻射的重點(diǎn)部位。中子源輻射劑量限制:
2.2.1 公眾
CSNS對(duì)公眾的劑量限制為0.1 msv/年。
2.2.2 工作人員在這里工作5 年所接受的輻射劑量也僅與1 次X射線胸透相當(dāng),即0.1 msv/次。
2.2.3 附近居民在散裂中子源附近居住1年,所受到的輻射劑量也僅相當(dāng)于乘1次飛機(jī),即0.01 msv/2 000 km航程。
⑴針對(duì)特殊的技術(shù)要求,在國(guó)內(nèi)首次成功研發(fā)了一種密度達(dá)3 600 kg/m3以上,混凝土內(nèi)保留結(jié)合水達(dá)110 kg/m3以上的防中子輻射重質(zhì)混凝土配合比。
⑵通過(guò)主要骨料的原材料自主選礦、開采、加工技術(shù)和重質(zhì)混凝土自拌技術(shù),保證了防中子輻射重質(zhì)混凝土施工工序的可控性和重質(zhì)混凝土質(zhì)量的穩(wěn)定性。
⑶為保證重質(zhì)混凝土的振搗密實(shí)及確保密度大的骨料不下沉,專門研發(fā)了一種防中子輻射重質(zhì)混凝土振搗技術(shù)。
⑷利用防輻射分縫技術(shù),將水平縫和豎向縫均設(shè)置成臺(tái)階狀,以防中子射線沿直線輻射,增強(qiáng)重質(zhì)混凝土輻射屏蔽效果。利用靶心防徑向收縮裂縫分塊分縫技術(shù),有效防止了大直徑筒體結(jié)構(gòu)混凝土徑向收縮裂縫產(chǎn)生。
⑸利用大型預(yù)埋件底板預(yù)先開孔的技術(shù)保證了重混凝土墻體中中子通道、窺視窗等大型預(yù)埋件底板下重混凝土澆筑密實(shí)。
⑹利用均勻布料和全人工鐵釬插搗技術(shù),解決了預(yù)埋管線、構(gòu)件、鋼筋密集空間狹小部位重混凝土的密實(shí)度保證。
以高水鐵礦砂(燒失量不低于12%)為含結(jié)晶水細(xì)骨料,以鋼砂(表觀密度大于7 400 kg/m3)為調(diào)整混凝土容重材料,以表觀密度不低于4 000 kg/m3的重晶石砂為細(xì)骨料,表觀密度不低于4 100 kg/m3的重晶石為粗骨料,配制出容重達(dá)到3 600 kg/m3的C30 防中子輻射混凝土。膠凝材料采用P·Ⅱ42.5R 水泥和S95級(jí)?;郀t礦渣粉,摻加硼玻璃粉提高混凝土抗中子輻射性能,摻加聚丙烯纖維改善混凝土早期抗裂性,采用聚羧酸系高效減水劑增強(qiáng)重質(zhì)混凝土的和易性,并調(diào)節(jié)初凝、終凝時(shí)間。優(yōu)選的防中子輻射重質(zhì)混凝土配合比的水膠比為0.51,各組成材料:膠凝材料340 kg/m3,其中水泥250 kg/m3、礦渣90 kg/m3,硼玻璃粉10 kg/m3,鐵礦砂350 kg/m3,鋼砂900 kg/m3,重晶石砂330 kg/m3,重晶石1 558 kg/m3,并摻加0.1%體積分?jǐn)?shù)的聚丙烯纖維(0.9 kg/m3)。該配合比應(yīng)用前通過(guò)了中國(guó)科學(xué)院高能物理所輻射防護(hù)組驗(yàn)算,并滿足防輻射要求。
防中子輻射重質(zhì)混凝土配合比組成材料達(dá)10 種之多,其和易性對(duì)材料粒徑、級(jí)配、材料含泥量等指標(biāo)敏感,主要骨料包括重晶石、重晶砂、高水鐵礦砂、重質(zhì)鋼砂等,其材料密度、粒徑、級(jí)配等要求特殊,市場(chǎng)無(wú)現(xiàn)貨供應(yīng)。其中重晶石、重晶砂、高水鐵礦砂由我司與中國(guó)科學(xué)院高能物理所專家一同選礦,然后按照要求進(jìn)行開采和加工。鋼砂在專門廠家按照要求專門定制。確保了原材料各項(xiàng)指標(biāo)的穩(wěn)定性和料源的穩(wěn)定。主要原材料產(chǎn)地、品牌及技術(shù)要求如下:
⑴重晶石:產(chǎn)地為廣西省來(lái)賓市金秀縣桐木鎮(zhèn),重晶石表觀密度≥4 100 kg/m3,針片狀顆粒≤15%,壓碎指標(biāo)≤30%,5~25 mm連續(xù)級(jí)配,石粉含量≤3%,泥塊含量≤0.5%。
⑵重晶砂:產(chǎn)地為廣西省來(lái)賓市金秀縣桐木鎮(zhèn),重晶砂表觀密度≥4 000 kg/m3,級(jí)配區(qū)為機(jī)制砂1 區(qū),石粉含量≤10%,泥塊含量≤2%。
⑶鐵礦砂:產(chǎn)地為廣東省清遠(yuǎn)市陽(yáng)山縣黎埠鎮(zhèn)湖洋山,其燒失量≥12%,表觀密度2 700~3 800 kg/m3,級(jí)配區(qū)為機(jī)制砂2區(qū),石粉含量≤12%,泥塊含量≤5%。
⑷鋼砂:鋼砂的表觀密度≥7 400 kg/m3。
⑸水泥:采用廣州某公司生產(chǎn)的P·Ⅱ42.5R水泥。
⑹礦粉:采用唐山某公司的S95級(jí)粒化高爐礦渣粉。
⑺硼玻璃粉:采用鄭州某公司產(chǎn)的粒度320#硼玻璃粉,80微米篩余為0.2%。
⑻減水劑:采用東莞某公司產(chǎn)的BYT-LZ緩凝高性能減水劑,屬聚羧酸系減水劑,固含量為11%。
⑼纖維:采用廣東某公司產(chǎn)的聚丙烯纖維,長(zhǎng)度為19 mm。
⑽水:采用符合飲用標(biāo)準(zhǔn)的自來(lái)水。
防中子輻射重質(zhì)混凝土組成材料多,投料難度大,投料順序和攪拌時(shí)間要求嚴(yán)格,加上對(duì)重質(zhì)混凝土運(yùn)輸距離和運(yùn)輸時(shí)間有嚴(yán)格限制,為保證攪拌質(zhì)量,在重質(zhì)混凝土構(gòu)件附近專門新建了1個(gè)拌和樓,全部采用自拌,并通過(guò)預(yù)搗件施工,制定拌和工藝流程,指導(dǎo)施工。
3.3.1 重混凝土上料技術(shù)
⑴加料順序
考慮到重晶石粗骨料較脆,上料時(shí)采用細(xì)骨料包裹粗骨料的方式上料:鋼砂→硼玻璃粉→纖維→重晶石砂→鐵礦砂→重晶石→水泥→礦粉→水→減水劑。
⑵上料方式
重晶石、重晶砂、鐵礦砂由攪拌站料斗自動(dòng)投料,澆筑前應(yīng)將這些材料提前用大鏟車裝入料斗,操作員控制攪拌機(jī)自動(dòng)上料時(shí),應(yīng)準(zhǔn)確設(shè)置各材料的參數(shù),每槽誤差不大于50 g,試驗(yàn)員負(fù)責(zé)監(jiān)督攪拌機(jī)上料過(guò)程。
水泥、礦粉由攪拌機(jī)自動(dòng)從水泥罐提?。凰?、減水劑由攪拌機(jī)自動(dòng)抽取,減水劑的摻入量應(yīng)嚴(yán)格控制。鋼砂、玻璃粉、纖維采用人工投料。
3.3.2 重混凝土攪拌技術(shù)
重混凝土使用2 套JS100 攪拌機(jī)自動(dòng)攪拌。每次攪拌前用與配合比等比例的水和減水劑混合液清洗機(jī)器??紤]重混凝土比重大,攪拌時(shí)難度大,每臺(tái)攪拌機(jī)一次攪拌0.5 m3,攪拌時(shí)間嚴(yán)格控制在2 min,確保攪拌均勻又防止重晶石粗骨料破碎,攪拌完后卸入混凝土攪拌車。
3.3.3 重混凝土生產(chǎn)效率控制技術(shù)
施工前對(duì)攪拌的各工序進(jìn)行了測(cè)算和試驗(yàn),連續(xù)作業(yè)時(shí)重混凝土生產(chǎn)效率為1 m3/6 min,澆筑效率為1 m3/7 min??紤]到實(shí)際情況,重混凝土施工效率約為7 m3/h。
重混凝土由攪拌車運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng),卸入帶導(dǎo)管的料斗,再用汽車吊吊送到待澆筑部位,通過(guò)溜槽入模。整個(gè)過(guò)程時(shí)間不得超過(guò)1 h。
攪拌車一次運(yùn)送2 m3,3 臺(tái)攪拌車輪流作業(yè)。澆筑分2個(gè)工作面同時(shí)進(jìn)行。重混凝土卸入料斗時(shí)應(yīng)確保料斗擺放平穩(wěn),鋼絲繩不能全松,防止出現(xiàn)側(cè)翻。重混凝土吊送過(guò)程應(yīng)慢起慢落,保持勻速,速度不能太快,保證安全。吊送過(guò)程應(yīng)保證料斗不漏漿。
根據(jù)測(cè)定的重混凝土生產(chǎn)和施工效率將每次澆筑重混凝土的總量控制在40~60 m3為宜,最大不超過(guò)100 m3。重混凝土入模時(shí)的塌落度嚴(yán)格控制在140±20 mm。入模溫度控制在30 ℃以下。重混凝土采用汽車吊吊送到待澆筑部位,通過(guò)溜槽或?qū)Ч苋肽?。入模時(shí)其自由下落高度一般控制在0.5~1.0 m,不得大于2.0 m。重混凝土必須分層澆筑,每層厚度設(shè)為300 mm,最大不超過(guò)400 mm;上層與下層的澆筑間歇時(shí)間一般控制在1 h以內(nèi),不得超過(guò)2 h,必須嚴(yán)格保證。
重混凝土流動(dòng)性不如普通混凝土,布料時(shí)盡可能均勻,布料點(diǎn)間距不大于1 m。重混凝土的振搗,主要采用A50mm振動(dòng)棒和A30mm振動(dòng)棒,振搗時(shí)間確定為5~8 s。振動(dòng)棒振動(dòng)點(diǎn)間距分別為250 mm 和200 mm。振搗點(diǎn)離側(cè)?;蝾A(yù)埋件距離100 mm。施工時(shí)振動(dòng)棒不得直接與鋼筋、預(yù)埋件、模板接觸,當(dāng)混凝土表面出現(xiàn)翻漿時(shí)立即停止振搗,一般以混凝土不再沉落、泛漿為止。上一層振搗時(shí),振動(dòng)棒插入下層混凝土50 mm,不得插到底。施工時(shí)不得漏振,不得用振動(dòng)棒“趕”混凝土。對(duì)于鋼筋或預(yù)埋件密集的狹小部位分層澆筑厚度設(shè)為200 mm,采用人工鋼釬插搗,插搗點(diǎn)間距控制在50 mm,插搗時(shí),做好節(jié)奏和頻率控制,做到三快一慢,前三下快速插入,后一下慢插入,插入深度250~300 mm,每點(diǎn)插入次數(shù)為12~16 次,反復(fù)插搗,確保重混凝土密實(shí)。施工時(shí)每根振動(dòng)棒由一名技術(shù)管理人員全程指揮、控制振搗時(shí)間和振搗點(diǎn)間距。
防中子輻射重質(zhì)混凝土中各種骨料密度相差懸殊,在重質(zhì)混凝土澆筑過(guò)程中通過(guò)重點(diǎn)控制振搗時(shí)間、振搗間距,將振動(dòng)棒振搗時(shí)間嚴(yán)格控制在5~8 s,振搗點(diǎn)間距嚴(yán)格控制在200~250 mm 等措施,既保證了重質(zhì)混凝土的振搗密實(shí),又確保了密度大的骨料不下沉,使重質(zhì)混凝土骨料分布均勻,很好地滿足了中子輻射屏蔽要求。
靶心防中子輻射重質(zhì)混凝土墻為大型圓筒結(jié)構(gòu),內(nèi)側(cè)為靶站密封筒,重質(zhì)混凝土施工時(shí)以密封筒為內(nèi)模,密封筒由鋼板在施工現(xiàn)場(chǎng)分塊焊接而成,材料為Q245R,筒體壁厚25 mm??紤]保溫,外模采用木模。這樣有強(qiáng)內(nèi)約束的大型圓筒結(jié)構(gòu),在混凝土澆筑完成后極易產(chǎn)生徑向收縮裂縫。施工時(shí)綜合考慮防裂縫及重混凝土的施工效率和施工難度,利用豎向分縫技術(shù)將筒體豎向分成4 塊,利用水平分縫技術(shù)將筒體水平方向分成6層澆筑。整個(gè)筒體分成24個(gè)小單元,按對(duì)稱澆筑的原則分12 次澆筑完成,每層A、B 兩部分分開澆筑。每次澆筑時(shí)間間隔為3~7 d。鋼筋和模板均隨澆筑高度逐層安裝。分縫技術(shù)有效防止了靶心徑向收縮裂縫產(chǎn)生,施工效果十分理想。
為保證防輻射效果,水平分縫和豎向分縫均設(shè)置成臺(tái)階狀。水平縫采用3層鋼絲網(wǎng)重疊并固定在墻中鋼筋上,形成臺(tái)階狀,臺(tái)階高度設(shè)為200 mm。豎向縫采用3層鋼絲網(wǎng)重疊做成臺(tái)階狀并固定在墻端支撐短鋼筋上,相當(dāng)于墻體的端模,重質(zhì)混凝土澆筑完成后采用人工鑿除鋼絲網(wǎng)并露出新鮮混凝土,很好地保證了施工縫的質(zhì)量。靶心、熱室豎向施工縫示意圖如圖4所示,靶心水平施工縫示意圖如圖5所示,水平施工縫、豎向施工縫設(shè)置如圖6所示。
圖4 靶心、熱室豎向施工縫示意圖Fig.4 Schematic of Vertical Construction Joints of Target Stand Center and Heat Chamber (mm)
圖5 靶心水平施工縫示意圖Fig.5 Schematic of Horizontal Construction Joints of Target Stand Center (mm)
圖6 水平施工縫、豎向施工縫設(shè)置Fig.6 Schematic of Setting Horizontal and Vertical Construction Joints
為使中子通道、窺視窗等大型預(yù)埋件底板下重混凝土澆筑密實(shí),預(yù)先在預(yù)埋件底部開孔(見圖7),既可作為重混凝土澆筑時(shí)的排氣孔,又便于觀察底部混凝土澆筑情況,還能作為振搗口。開孔尺寸根據(jù)預(yù)埋件大小和振搗間距綜合考慮。重混凝土澆筑完成后,采用塞焊封閉開孔位置。
圖7 中子通道底板開孔示意圖Fig.7 Schematic of Perforating the Bottom Plate of Neutron Channel (mm)
對(duì)于預(yù)埋管線、構(gòu)件、鋼筋密集的地方,主要采用均勻布料,小型振動(dòng)棒振搗和人工鐵釬插搗,部分鋼筋、管線過(guò)密部位采用全人工鐵釬插搗(見圖8),施工前操作工人的插搗工藝經(jīng)過(guò)專門培訓(xùn),確保重混凝土密實(shí)。
圖8 窺視窗重混凝土澆筑及人工插搗Fig.8 Heavy Concrete Pouring and Artificial Puddling beside Hagioscope
根據(jù)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù),重混凝土在澆筑后1 d 左右,溫升達(dá)到峰值,故重混凝土終凝后要及時(shí)做好養(yǎng)護(hù)工作,重混凝土澆筑完后及時(shí)安裝噴淋管,待重混凝土終凝后開始灑水養(yǎng)護(hù)并及時(shí)用麻袋和塑料薄膜覆蓋重混凝土外露面。澆筑完14 h后松開側(cè)模對(duì)拉螺桿,帶模進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)。澆筑完3 d 后拆除側(cè)模板,用塑料薄膜包裹重混凝土外露面,持續(xù)保溫保濕養(yǎng)護(hù)28 d。
對(duì)墻體預(yù)留洞口,兩端用麻袋封蓋,避免通風(fēng)而導(dǎo)致溫差過(guò)大形成裂縫。
防中子輻射重質(zhì)混凝土施工技術(shù),在國(guó)內(nèi)最大的大科學(xué)裝置中國(guó)散裂中子源一期工程項(xiàng)目建設(shè)中首次采用,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合業(yè)主工藝和設(shè)計(jì)要求,很好地滿足了防輻射、抗?jié)B漏、低收縮、高密度、高均勻性等特殊要求。很好地解決了中國(guó)散裂中子源項(xiàng)目靶站靶心和熱室及延遲罐的中子輻射屏蔽,大大降低了工程成本,縮短了施工工期,確保了重質(zhì)混凝土的質(zhì)量和安全性,得到了業(yè)主及監(jiān)理的充分肯定,并贏取了當(dāng)?shù)刭|(zhì)監(jiān)、安監(jiān)部門的高度評(píng)價(jià),且環(huán)保效益顯著。
經(jīng)檢測(cè),重混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度完全滿足C30 強(qiáng)度要求。
根據(jù)試塊稱重計(jì)算,重混凝土的密度達(dá)到3 645 kg/m3,完全滿足設(shè)計(jì)3 600 kg/m3以上的要求。
2020年初,中國(guó)散裂中子源打靶功率提前達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)100 kW,并在該功率下穩(wěn)定運(yùn)行。散裂中子源科學(xué)中心于2020年2月28日,采用中子劑量當(dāng)量?jī)x測(cè)量靶站北大廳距離靶站中心8.5 m 屏蔽體處中子劑量,中子劑量率為0.056(μSv/h@100 kW)(該測(cè)量值未扣除本底,中子周圍劑量當(dāng)量?jī)x測(cè)量的本底約為0.040 μSv/h),測(cè)量值遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)指標(biāo)2.5 μSv/h,證明重質(zhì)混凝土防輻射效果理想。
通過(guò)主要材料重晶石、重晶砂、高水鐵礦砂自主選礦、開采、加工技術(shù)和嚴(yán)格控制其它原材料進(jìn)場(chǎng)技術(shù),以及重混凝土的自拌技術(shù),保證了防中子輻射重混凝土生產(chǎn)、供應(yīng)的穩(wěn)定和質(zhì)量的穩(wěn)定。通過(guò)重混凝土澆筑時(shí)入模下落高度控制、布料點(diǎn)的間距控制、分層厚度控制、振搗點(diǎn)的間距控制、振動(dòng)棒振搗時(shí)間控制等措施,既保證了重質(zhì)混凝土的振搗密實(shí),又確保了密度大的骨料不下沉,使重質(zhì)混凝土骨料分布均勻。通過(guò)采用3 層鋼絲網(wǎng)重疊,制作臺(tái)階狀水平和豎向防輻射施工縫,將有強(qiáng)內(nèi)約束大型筒體重質(zhì)混凝土分塊錯(cuò)開澆筑,防止了筒體混凝土徑向收縮裂縫的產(chǎn)生,同時(shí)也解決了包括熱室及延遲罐復(fù)雜結(jié)構(gòu)的裂縫控制。通過(guò)底板開孔技術(shù),解決了中子通道、窺視窗等大型預(yù)埋件底板下重混凝土澆筑密實(shí)問(wèn)題。通過(guò)采用均勻布料,小型振動(dòng)棒振搗和人工鐵釬插搗,解決了預(yù)埋管線、構(gòu)件、鋼筋密集地方的重混凝土密實(shí)度。
通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)的控制,很好地保證了防中子輻射重質(zhì)混凝土的施工質(zhì)量,圓滿完成了中國(guó)散裂中子源核心部位-靶站靶心和熱室及延遲罐的結(jié)構(gòu)施工難題,為今后同類工程結(jié)構(gòu)的施工提供經(jīng)驗(yàn)參考和技術(shù)借鑒。